光電成像技術(shù)論文
在光電成像技術(shù)中，對(duì)其性能進(jìn)行優(yōu)化，可以提升成像系統(tǒng)的分辨率。下面是學(xué)習(xí)啦小編整理了光電成像技術(shù)論文，有興趣的親可以來(lái)閱讀一下!
光電成像技術(shù)論文篇一
光電成像系統(tǒng)的分辨率鑒定與測(cè)量技術(shù)
摘 要:論述了光電成像系統(tǒng)中廣泛使用的分辨率指標(biāo)及分類,對(duì)空間分辨率模擬度量法的原理和測(cè)量方法進(jìn)行了論述和分析。通過(guò)研究指出用空間分辨率指標(biāo)來(lái)描述成像系統(tǒng)的質(zhì)量,具有較好的直觀性和歸一性。由于單一的空間分辨率測(cè)量指標(biāo)還不可能給出總的圖像系統(tǒng)的性能,僅僅基于分辨率指標(biāo)的圖像評(píng)估不可能同時(shí)保證系統(tǒng)靈敏度設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。因此,結(jié)合模擬度量法研究光電成像系統(tǒng)的分辨率測(cè)量法,給出成像分辨率測(cè)量準(zhǔn)則。
關(guān)鍵詞:MTF;SRF;空間分辨率;DAS;GRD
中圖分類號(hào):TP29文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
文章編號(hào):1004-373X(2010)01-177-03
Resolution Identification and Measuring Technique of Photoelectric Image System
ZHANG Bin,LI Zhaohui
(Chinese Flight Test Establishment,Xi′an,710089,China)
Abstract:Index and classification of resolution which are widely used in the photoelectric image system is discussed with analysis of the principle and method of the simulated measurement of spatial resolution.The investigation shows that the index of spatial resolution which describes quality of the image-forming system is more direct and unitary than other methods.However,the single spatial resolution can not show the capability of the whole image system.Besides,the evaluation which it is only based on the index of spatial resolution can not ensure the designed technical requirement of the system sensitivity.Therefore,on the basis of the resolution measuring method of the photoelectric image system,a measuring criterion of the imaging resolution is obtained.
Keywords:MTF;SRF;spatial resolution;DAS;GRD
0 引 言
物理系統(tǒng)中對(duì)分辨率指標(biāo)的使用由來(lái)已久,它是確定成像系統(tǒng)性能指標(biāo)的基本要素,尤其是用分辨率作為衡量圖像質(zhì)量的指標(biāo)之一,人們會(huì)因此認(rèn)為具有較高分辨率的系統(tǒng)具有較好的圖像質(zhì)量[1]。一般情況下,對(duì)于類似于系統(tǒng)設(shè)計(jì)這樣的問(wèn)題確實(shí)如此(例如,將兩個(gè)EMUX系統(tǒng)相比),其MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))具有相同的函數(shù)形式。
分辨率有四類不同內(nèi)容[2]:時(shí)間分辨率(以時(shí)間分類事件的能力);灰度分辨率(由A/D變換器設(shè)計(jì)、噪聲低限、或監(jiān)視器性能指標(biāo)決定);譜分辨率;空間分辨率。
以30 Hz幀頻的成像系統(tǒng),它所具有的時(shí)間分辨率為1/30 s;灰度分辨率是動(dòng)態(tài)測(cè)量的范圍;譜分辨率簡(jiǎn)單地說(shuō)就是該系統(tǒng)的譜帶通(如可見(jiàn)光,NIR,SWIR,MWIR或LWIR)。分辨率是指能夠探測(cè)到的目標(biāo)最小細(xì)節(jié)的能力;或者說(shuō)分辨率指的是成像系統(tǒng)注重于不同尺寸的物體的對(duì)比度的能力。將物體大小的概念量化最有效的方法是采用空間頻率,以單位長(zhǎng)度內(nèi)的周數(shù)或線對(duì)數(shù)表示。本文討論在工程 應(yīng)用中普遍關(guān)注的空間分辨率這一指標(biāo)。因?yàn)閷?duì)于可見(jiàn)光CCD成像與測(cè)量、跟蹤系統(tǒng),或者對(duì)于機(jī)載前視紅外偵察系統(tǒng)的發(fā)現(xiàn)、分類和識(shí)別都與空間分辨率指標(biāo)有著密切的關(guān)系。在工程應(yīng)用中,用空間分辨率指標(biāo)來(lái)描述成像系統(tǒng)的質(zhì)量,具有較好的直觀性和歸一性。
1 空間分辨率、靈敏度與系統(tǒng)的響應(yīng)關(guān)系
成像系統(tǒng)的靈敏度是關(guān)于最小可探測(cè)的信號(hào),通常定義為系統(tǒng)輸出端的單位信噪比[3]。靈敏度與光學(xué)系統(tǒng)的采光特性、探測(cè)器響應(yīng)度和系統(tǒng)噪聲有關(guān),但與分辨率無(wú)關(guān)。由靈敏度極限給出的信噪比的近似表達(dá)式是:SNR=(τRΔI)/系統(tǒng)噪聲[4]。
對(duì)于紅外成像系統(tǒng),目標(biāo)背景的反差是由溫差ΔT來(lái)確定的,系統(tǒng)噪聲常被作為噪聲等效溫差NEDT,這種近似只適用于那些目標(biāo)的角視距與預(yù)測(cè)計(jì)算距離處的系統(tǒng)分辨率相比較大的情況。τ是平均大氣稠密度系數(shù),ΔI是目標(biāo)和背景間的對(duì)比強(qiáng)度差(對(duì)紅外成像系統(tǒng)而言,可以是溫差ΔT),R是在同一大氣條件下的相對(duì)作用距離。上式中的SNR只有當(dāng)大氣透過(guò)率在有意義的光譜區(qū)間內(nèi)不變時(shí)才有效,即τ(λ)?τ。其中λ是波長(zhǎng)。
作為成像系統(tǒng)的響應(yīng)取決于靈敏度和分辨率,如圖1所示,不同的系統(tǒng)可以有不同的MRTD。系統(tǒng)A具有較好的靈敏度,它在低空間頻率處有較低的MRTD。系統(tǒng)B具有較高的分辨率,比系統(tǒng)A能夠顯示更細(xì)的細(xì)節(jié)。在中距空間頻率處,兩系統(tǒng)近似等價(jià)。圖1表明靈敏度、分辨率或其他任何單一參數(shù)都不能用來(lái)比較系統(tǒng)總的響應(yīng)特性;系統(tǒng)A是否比系統(tǒng)B更好,取決于特定的應(yīng)用[5]。
圖1 具有不同MRTD系統(tǒng)的靈敏度、
分辨率與系統(tǒng)的響應(yīng)特性
在預(yù)測(cè)計(jì)算中,一般都要涉及到靈敏度和分辨率[6]。靈敏度和分辨率對(duì)于系統(tǒng)響應(yīng)的限制是不同的,如圖2所示。
圖2 系統(tǒng)性能取決于分辨率和靈敏度因子
當(dāng)靈敏度受到限制時(shí),系統(tǒng)性能取決于目標(biāo)-背景的對(duì)比強(qiáng)度ΔI,大氣衰減程度和系統(tǒng)噪聲。當(dāng)分辨率受到限制時(shí),探測(cè)距離只依賴于目標(biāo)尺寸和系統(tǒng)分辨率。分辨率在工程實(shí)現(xiàn)上的意義在于對(duì)目標(biāo)探測(cè)的最大距離便于進(jìn)行估算,其近似公式為:
距離=目標(biāo)尺寸/分辨率
(1)
公式(1)只適于估算系統(tǒng)的相對(duì)距離性能,不能用于推算絕對(duì)距離。
2 空間分辨率的度量準(zhǔn)則
對(duì)空間分辨率指標(biāo)的要求,系統(tǒng)設(shè)計(jì)的不同階段和不同應(yīng)用場(chǎng)合所對(duì)應(yīng)的測(cè)試基準(zhǔn)是不一樣的[7]。這也說(shuō)明空間分辨率在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和使用中的側(cè)重點(diǎn)有所不同,因而分辨率的測(cè)試方法也就有所改變。表1列出了空間分辨率在設(shè)計(jì)階段所依據(jù)的判據(jù)準(zhǔn)則。其中每一款項(xiàng)都是基于性能測(cè)試數(shù)據(jù)選取的,并對(duì)分辨率測(cè)量尺度提出了相應(yīng)的規(guī)范[8]。
表1 分辨率測(cè)量準(zhǔn)則
適用范圍分辨率測(cè)量尺度
光學(xué)設(shè)計(jì)者Rayl Eigh準(zhǔn)則,Sparrow準(zhǔn)則,Airy圓盤(pán)直徑,Blur直徑
探測(cè)器銷售商探測(cè)器單元數(shù)
系統(tǒng)分析(幾何法)DAS
系統(tǒng)分析(MTF法)有限分辨率 EIFOV
系統(tǒng)校準(zhǔn)(SRF法)成像分辨率,測(cè)量分辨率
監(jiān)視器設(shè)計(jì)者TV有限分辨率,可尋址像素?cái)?shù)
偵察圖片和遙感地面分辨距離
空間分辨率由許多有時(shí)看來(lái)并不相關(guān)的測(cè)試指標(biāo)來(lái)確定,如Airy盤(pán)角尺寸,探測(cè)器角視距(DAS),或Nyquist頻率(由角采樣率確定)。從系統(tǒng)性能驗(yàn)證表明,分辨率不包括系統(tǒng)的噪聲效應(yīng)。
系統(tǒng)分辨率取決于繞射、光學(xué)像差、探測(cè)器角視距、數(shù)字化、電子帶寬和監(jiān)視器的分辨率。分辨率最通用的測(cè)量方法是用探測(cè)器的DAS法,因?yàn)檫@是一種容易理解的方法。DAS方法適合于那些系統(tǒng)探測(cè)器的MTF有限的情況。系統(tǒng)的分辨率可能受到光學(xué)截止頻率或Nyquist頻率的限制。
DAS和IFOV之間是有差別的。簡(jiǎn)單地說(shuō)DAS就是幾何角視距,它由探測(cè)器尺寸和系統(tǒng)的焦距來(lái)決定。IFOV是一個(gè)錐角,探測(cè)器通過(guò)這個(gè)錐角來(lái)感應(yīng)輻射,而且它取決于光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。當(dāng)光學(xué)Blur直徑減小時(shí),IFOV就接近于DAS。如果Blur直徑非常大時(shí),探測(cè)器就會(huì)感受來(lái)自DAS定義角之外的輻射量。
3 模擬度量法[8]
當(dāng)MTF降低到一定的程度時(shí),分辨率的模擬測(cè)量可以由點(diǎn)源成像的寬度來(lái)確定,即兩個(gè)點(diǎn)源的最小可探測(cè)距離,或者說(shuō)由觀測(cè)者所能分辨的最小細(xì)節(jié)。這些測(cè)量方法都假定系統(tǒng)的輸出就是對(duì)目標(biāo)物(線性、平移不變系統(tǒng))的映像。電視測(cè)試法只有當(dāng)系統(tǒng)在模擬域時(shí),在掃描方向上的測(cè)量才有效。
分辨率也可以由光學(xué)因子來(lái)定義。繞射產(chǎn)生了最小可能的光斑尺寸。繞射測(cè)試法包括Rayl Eith準(zhǔn)則,Sparrow準(zhǔn)則和Airy圓盤(pán)直徑。Airy圓盤(pán)是繞射圖案的亮斑中心,該繞射圖案是由理想的光學(xué)系統(tǒng)產(chǎn)生的。Rayl EIth和Sparrow準(zhǔn)則是度量?jī)蓚€(gè)緊靠在一起的目標(biāo)體區(qū)分的能力,其中這兩個(gè)目標(biāo)體是點(diǎn)源體。光學(xué)像差和焦距限制(相對(duì)于Blur直徑而言)會(huì)增加繞射直徑。光學(xué)設(shè)計(jì)者通常利用光線跟蹤程序來(lái)計(jì)算出Blur直徑。
有限分辨率可以定義為空間頻率,此時(shí)MTF降到其最大值的2%或5%。電視有限分辨率是由觀測(cè)者觀察星形、楔形狀或分辨率圖案所能分辨的最小細(xì)節(jié)來(lái)確定的。電視有限分辨率是一種主觀度量。在上述圖案消失時(shí)的空間頻率近似等于這一有限分辨率。除了電視有限分辨率之外,還有許多針對(duì)監(jiān)視器的分辨率測(cè)試法和許多可以 應(yīng)用的測(cè)量技術(shù)。表2給出了模擬系統(tǒng)的分辨率測(cè)量法。
表2 模擬系統(tǒng)的分辨率測(cè)量法
分辨率說(shuō) 明測(cè)試(常用單位)
Rayleigh準(zhǔn)則可以區(qū)別2個(gè)點(diǎn)源θ=1.22λ/D/mrad(計(jì)算值)
Sparrow準(zhǔn)則可以區(qū)別2個(gè)點(diǎn)源θ=λ/D/mrad(計(jì)算值)
Airy 圓盤(pán)由點(diǎn)源產(chǎn)生的有限繞射直徑θ=2.44λ/D/mrad(計(jì)算值)
Blur直徑由點(diǎn)源產(chǎn)生的實(shí)際最小直徑根據(jù)光路計(jì)算值/mrad
有限分辨率空間頻率(當(dāng)MTF=0.02~0.05)測(cè)量值或計(jì)算值 /cy/mrad
電視有限分辨率辨別方波形的能力測(cè)量值(每圖像高度上的TV線數(shù))
成像分辨率SRF=0.5時(shí)的角視距測(cè)量值 /mrad
測(cè)量分辨率SRF=0.99時(shí)的角視距測(cè)量值 /mrad
地面分辨距離圖片解讀器能夠分辨的(1周)的最小試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)測(cè)量值或計(jì)算值(英尺或米)
地形分辨率由圖片解讀器可以閱讀到的有限地貌特征的評(píng)估測(cè)量值(英尺或米)
注:λ為光波中心波長(zhǎng);D為孔徑。
SRF(Slit Response Function)函數(shù)給出了成像分辨率。成像分辨率即是目標(biāo)角視距產(chǎn)生50%的SRF響應(yīng),如圖3所示。
圖3 SRF函數(shù)θ1是成像分辨率,θ2是測(cè)量分辨率
成像分辨率包括光學(xué)和電學(xué)響應(yīng),可以肯定它比計(jì)算DAS值更能反映實(shí)際系統(tǒng)的響應(yīng)。對(duì)于理想系統(tǒng)而言,DAS是成像分辨率的兩倍。對(duì)于選擇SRF=0.99的測(cè)量分辨率近似等于最小目標(biāo)尺寸,這可確保在照度方向重新復(fù)現(xiàn)。正是這一絕對(duì)最小尺寸可以用來(lái)進(jìn)行響應(yīng)測(cè)量和輻射測(cè)量校準(zhǔn)。
對(duì)于空中偵察和相關(guān)的圖像解讀,分辨率是通過(guò)地形可分辨距離來(lái)量測(cè)的。GRD是最小的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)(1周)尺寸,該尺寸可以由富有 經(jīng)驗(yàn)的圖片解讀員在地面分辨出來(lái)。GRD是一種客觀度量攝像機(jī)分辨標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比度目標(biāo)的物理特性指標(biāo),可以分辨的最小細(xì)節(jié)具有GRD/2物理意義上的寬度。
GRD=(分辨率)•R1
(2)
其中:R1是目標(biāo)斜距[9]。通常典型的偵察模式是測(cè)量垂直于瞄準(zhǔn)線方向的距離。因此,式(2)中不包含cos θ修正因子。列于表2的任一分辨率測(cè)量都可以使用,但DAS最為普遍。GRD在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)是測(cè)不到的,因?yàn)樗Q于目標(biāo)的實(shí)際距離,但如果依據(jù)適當(dāng)?shù)姆直媛蕼y(cè)量也可以進(jìn)行計(jì)算。
地形分辨率是一個(gè)主觀項(xiàng),它是對(duì)待觀測(cè)物體的有限特征所做的大量估計(jì)[10],系統(tǒng)必須能夠分辨這些特征。例如,當(dāng)對(duì)公路上的中央斑馬白線條進(jìn)行觀測(cè)時(shí),要求系統(tǒng)具有4英寸的地面分辨率。而對(duì)位于上述公路旁沙地上的花崗巖鵝卵石進(jìn)行觀測(cè)時(shí),只需系統(tǒng)具有大概2英尺的分辨率即可。
4 結(jié) 語(yǔ)
分辨率指標(biāo)是確定成像系統(tǒng)性能的基本要素,尤其是用該項(xiàng)指標(biāo)可以作為衡量圖像質(zhì)量的標(biāo)準(zhǔn)比照參數(shù),通常具有較高分辨率的系統(tǒng)具有較好的圖像質(zhì)量。一般情況下,對(duì)于類似于系統(tǒng)設(shè)計(jì)這樣的問(wèn)題確實(shí)如此(例如,將兩個(gè)EMUX系統(tǒng)相比),它們的MTF(調(diào)制傳遞函數(shù))具有相同的函數(shù)形式。對(duì)于可見(jiàn)光CCD成像測(cè)量與跟蹤系統(tǒng),或者對(duì)于機(jī)載前視紅外偵察系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)、分類和識(shí)別都與空間分辨率指標(biāo)有著密切的關(guān)系。在工程應(yīng)用中,用空間分辨率指標(biāo)來(lái)描述成像系統(tǒng)的質(zhì)量,具有較好的直觀性和歸一性。
雖然分辨率給出了可識(shí)別目標(biāo)的細(xì)節(jié),然而單一的空間分辨率測(cè)量指標(biāo)還不可能滿足對(duì)所有傳感器系統(tǒng)響應(yīng)之間進(jìn)行的比較。分辨率不可能給出總的圖像系統(tǒng)的性能,也不會(huì)給出圖像對(duì)比度的影響效果。但是對(duì)比度傳遞函數(shù)和調(diào)制傳遞函數(shù)給出了對(duì)比度信息。另外,分辨率不受噪聲影響,與靈敏度也無(wú)關(guān)系。此外,需要值得注意的是,僅僅基于分辨率技術(shù)要求的設(shè)計(jì)不可能同時(shí)保證靈敏度設(shè)計(jì)的技術(shù)要求。
整理
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